基于水力模型的典型小區(qū)外部截污設(shè)施改造評估

姚行平 鄭 濤 陳梓禾

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；3.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200082）

0 引言

上海市開展雨污混接綜合整治攻堅(jiān)戰(zhàn)以來，各區(qū)以源頭控制污水混接入雨水管網(wǎng)為重點(diǎn)，充分利用河長制工作機(jī)制，全力推進(jìn)雨污混接綜合整治工作。然而，上海市雨污混接綜合整治依然存在問題和困境。雨污分流、混接改造是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，其推進(jìn)過程受混接點(diǎn)識(shí)別、周邊環(huán)境、資金、人力成本等影響較大。一方面無法保證100%識(shí)別雨污混接點(diǎn)，不能保證真正意義上的“完全分流制”；另一方面部分區(qū)域不具備雨污分流、混接改造條件，或者改造成本較高，因此考慮保留部分合流，采用源頭削減、截流等措施降低合流污染的程度。

本研究通過借助InfoWorks ICM 水力模型，構(gòu)建基于管網(wǎng)、年降雨量模擬、污水入流模擬、截污設(shè)施模擬的多模塊耦合水力模型，結(jié)合理論計(jì)算對比分析，從而對三個(gè)典型住宅小區(qū)外部截流設(shè)施進(jìn)行效能評估，并對各類截流井進(jìn)行對比評估，構(gòu)建基于截污設(shè)施實(shí)施后排口處旱季、雨季管網(wǎng)流量變化規(guī)律的雨污混接整治工程效益評估體系。

1 概況

1.1 改造現(xiàn)狀

2018 年6 月12 日，上海市水務(wù)局、上海市房屋管理局聯(lián)合印發(fā)《上海市住宅小區(qū)雨污混接改造技術(shù)導(dǎo)則》［1］，在總則中明確了小區(qū)混接改造的原則：對于位于現(xiàn)狀分流制地區(qū)和現(xiàn)狀合流制但規(guī)劃分流制地區(qū)的住宅小區(qū)，必須實(shí)現(xiàn)完全的雨污分流；對于位于規(guī)劃合流制地區(qū)的住宅小區(qū)，可暫不實(shí)施雨污分流改造；對于近期有動(dòng)遷計(jì)劃等情況的住宅小區(qū)，可設(shè)置末端截流作為臨時(shí)措施。在第一輪雨污混接調(diào)查中，全市共調(diào)查出混接小區(qū)3 340 個(gè)。在住宅小區(qū)混接改造工作推進(jìn)過程中，部分區(qū)實(shí)施住宅小區(qū)外部截流改造。

1.2 住宅小區(qū)外部截污設(shè)施種類

小區(qū)外部截流設(shè)施一般分為重力截和泵截，重力截是指在小區(qū)雨水管道接戶井前，設(shè)置具備自控截污裝置的截流井，且在與市政污水系統(tǒng)連接的污水節(jié)流管末端設(shè)置拍門、鴨嘴閥等防回流裝置。泵截則是通過對地埋式泵機(jī)的開關(guān)來控制截流井內(nèi)的排水方向。重力截又分為無動(dòng)力和有動(dòng)力兩種類型，無動(dòng)力通過設(shè)置浮球裝置根據(jù)液位對管口進(jìn)行開關(guān)控制，有動(dòng)力則通過設(shè)置電動(dòng)閘門、液壓閘門對管口進(jìn)行開關(guān)控制。泵截通過設(shè)置提升泵，將混接污水提升至下游污水管道，泵截分為設(shè)置停泵液位和未設(shè)置停泵液位兩種類型，設(shè)置高液位停泵措施是指當(dāng)雨天來水達(dá)到停泵液位時(shí)，提升泵停止工作，來水進(jìn)入下游雨水管道。

1.3 典型小區(qū)選取

本研究基于設(shè)計(jì)、竣工資料、各區(qū)現(xiàn)狀評估報(bào)告，選取不同種類外部截流設(shè)施的住宅小區(qū)，經(jīng)過實(shí)地踏勘后最終選取上海市徐匯區(qū)海上華庭（截流閥重力載）、普陀區(qū)恒力錦滄花園（限流閥重力載）及徐匯區(qū)森隴家園（泵截流）三個(gè)小區(qū)作為典型小區(qū)進(jìn)行模擬分析。

2 理論計(jì)算分析

2.1 理論計(jì)算方法

截流井在雨天排入污水系統(tǒng)的水量由以下幾部分組成：雨水量、旱天污水量、地下水滲入量。通過計(jì)算截流井向污水系統(tǒng)排放的最大水量，減去地下水滲入量，若大于混接污水量，則認(rèn)為截流井在旱天能夠?qū)⑽鬯拷亓?，再減去混接污水量，即為截流井向污水系統(tǒng)排放的最大雨水量。將最大雨水量折算成雨強(qiáng)，與典型年小時(shí)降雨量對比、疊加，折算成雨量，即為截流井一年中排入污水系統(tǒng)的雨水量。

2.1.1 重力截截流井計(jì)算。

①截流井向污水系統(tǒng)排放的最大排水能力Qmax。一是截流閥。海上華庭截流井的限流措施是DN200 截流閥，截流閥的工作原理如圖1 所示：h/D(水深與管徑之比)＜0.3時(shí)，為均勻流，采用謝才公式計(jì)算流速；h/D＞0.3時(shí)，為孔口出流，采用孔口出流公式計(jì)算流速，推導(dǎo)出DN200浮筒截流閥的流量液位曲線，如圖2 所示。由圖2 可知：當(dāng)液位為100 mm時(shí)，達(dá)到最大排水能力Qmax=7.12 L/s。二是限流閥。恒力錦滄花園截流井的限流措施是限流閥，限流閥的工作原理如圖3 所示：h/D＜0.3 時(shí)，為均勻流，采用謝才公式進(jìn)行計(jì)算流速；h/D＞0.3時(shí)，為孔口出流，采用孔口出流公式計(jì)算流速，推導(dǎo)出DN200浮筒截流閥的流量液位曲線，如圖4所示。由圖4可知：Qmax與液位有關(guān)，當(dāng)液位超過污水管頂時(shí)，Qmax與隨液位增大而增大，需根據(jù)液位差對照流量液位曲線計(jì)算Qmax。

圖1 DN200截流閥工作原理

圖2 DN200截流閥流量液位曲線

圖3 DN200限流閥工作原理

圖4 DN200限流閥流量液位曲線

②旱流污水量Qdr。對于排水體制為分流制的末端截流小區(qū)，截流管內(nèi)的污水量基本為陽臺(tái)洗衣廢水，按照《建筑中水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50336—2018）［2］，洗衣廢水占建筑物分項(xiàng)百分?jǐn)?shù)為22%~22.7%，取22.7%，排放系數(shù)取0.9。由于下雨與發(fā)生最高日最高時(shí)的污水量同時(shí)發(fā)生的概率較低，故Qdr取平均日平均時(shí)流量。則旱天污水平均流量見式（1）。

式中：Qdr為旱流污水流量，L/s；Q用水為居民平均日用水定額，L/(人·d)，若有用水量資料，按照用水量取值，若無用水量資料，取160 L/(人·d)；N為小區(qū)常住居民人數(shù)，人。

③地下水滲入量Qg。根據(jù)文獻(xiàn)［3］，采用DN600聚乙烯管，埋深為2.9 m，地下水位為2.2 m時(shí)，滲入量為8.9 m3/(km·d)。由于缺乏小區(qū)管網(wǎng)資料，小區(qū)雨水管（分流制小區(qū)）或小區(qū)合流管（合流制小區(qū)）的管道長度L根據(jù)地圖上小區(qū)路網(wǎng)長度大致估算。

④通過截流井能排走的最大雨水量Qymax的計(jì)算見式（2）。

⑤最大雨水量折算單位面積降雨量。把截流管內(nèi)的雨水流量Qy折算為降雨強(qiáng)度q(單位面積降雨量)，見式（3）。

式中：F為截流井對應(yīng)的匯水面積，m2；φ為小區(qū)徑流系數(shù)。

⑥小區(qū)全年截流井排入污水系統(tǒng)的雨水量。查閱近五年上海市降雨資料，選取近五年中接近平均值的一年作為典型年，對比小區(qū)的折算雨強(qiáng)q與典型年第i小時(shí)降雨量qi，當(dāng)qi＜q時(shí)，考慮該降雨歷時(shí)下的雨水全部進(jìn)入截流管；當(dāng)qi＞q時(shí)，截流井內(nèi)的水量超過堰高，截流管閥門關(guān)閉，雨水不匯入截流管內(nèi)。因此，小區(qū)末端截流設(shè)施的雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)的年增量見式（4）。

式中：qi為每天第i小時(shí)的降雨強(qiáng)度，且該降雨強(qiáng)度＜q；t為降雨歷時(shí)，取1 h。

2.1.2 泵截截流井計(jì)算。當(dāng)截流井為泵截時(shí)，有的截流井設(shè)置了高液位停泵，雨量過大時(shí)，液位到達(dá)停泵液位時(shí)，泵關(guān)閉，雨水不再匯入污水管內(nèi)［4］。有的截流井未設(shè)置高液位停泵，即只要泵高于最低液位，不論雨量多大，泵一直運(yùn)轉(zhuǎn)。針對這兩種情況，計(jì)算方法如下。旱天污水平均流量Qdr與重力截計(jì)算過程相同。截流管內(nèi)的雨水流量Qymax見式（5）。

式中：Q額為工作泵的額定流量之和，折算成單位面積降雨量見式（6）。

①無停泵最高液位時(shí)，查閱近五年上海市降雨資料，選取近五年中接近平均值的一年作為典型年，對比小區(qū)的折算雨強(qiáng)q與典型年第i小時(shí)降雨量qi，當(dāng)qi＜q時(shí)，考慮該降雨歷時(shí)下的雨水全部進(jìn)入截流管；當(dāng)qi＞q時(shí)，考慮第i小時(shí)有q的雨水進(jìn)入截流管，其余雨水由于泵的排放能力有限，溢流至雨水管。因此，小區(qū)末端截流設(shè)施的雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)的年增量見式（7）。

式中：qi為每天第i小時(shí)的降雨強(qiáng)度，且該降雨強(qiáng)度＜q；t為降雨歷時(shí)，取1 h。

②有停泵最高液位時(shí)，查閱近五年上海市降雨資料，選取近五年中接近平均值的一年作為典型年，對比小區(qū)的折算雨強(qiáng)q與典型年第i小時(shí)降雨量qi，當(dāng)qi＜q時(shí)，考慮該降雨歷時(shí)下的雨水全部進(jìn)入截流管，當(dāng)qi＞q時(shí)，忽略雨水到達(dá)停泵液位的時(shí)間，認(rèn)為此時(shí)雨水不匯入截流管內(nèi)，因此，小區(qū)末端截流設(shè)施的雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)的年增量見式（8）。

式中：qi為每天第i小時(shí)的降雨強(qiáng)度，且該降雨強(qiáng)度＜q；t為降雨歷時(shí)，取1 h。

2.2 典型小區(qū)理論計(jì)算與分析

根據(jù)2.1的計(jì)算方法，計(jì)算重力截各典型小區(qū)全年通過外部截流井進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量見表1。

表1 典型小區(qū)重力式外部截流井進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量計(jì)算

由表1可知：①對于雨天雨水對污水系統(tǒng)的增量方面，截流閥優(yōu)于限流閥；②污水量、地下水量相比排水能力占較小比重，小區(qū)占地面積、堰高與截流管高差、截流管管徑越大，進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量越大；③采用限流閥的截流井，可將較少量的污水截流，但同時(shí)卻造成了小區(qū)內(nèi)全年大部分的雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)。計(jì)算泵截的典型小區(qū)全年通過外部截流井進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量見表2。

表2 典型小區(qū)泵截式外部截流井進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量計(jì)算

由表2 可知：①泵截式外部截污設(shè)施雨天對污水系統(tǒng)的影響，設(shè)置停泵高液位優(yōu)于不設(shè)置停泵高液位；②泵的流量選用應(yīng)與截污量相匹配，才會(huì)使進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量最大限度減少。

3 模型構(gòu)建及應(yīng)用

本研究設(shè)置污水入流事件模擬雨污混錯(cuò)接現(xiàn)象，運(yùn)用InforWorks ICM 水力模型對一年實(shí)際降雨事件進(jìn)行模擬，研究截流設(shè)施的效果［5］。建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①檢查井、調(diào)蓄池、出水口；②管道、泵、閘；③集水區(qū)/匯水范圍；④雨量、雨型，降雨公式；⑤地面高程模型；⑥流量測量數(shù)據(jù)等。

3.1 排水系統(tǒng)模型構(gòu)建

典型小區(qū)利用InforWorks ICM 軟件及小區(qū)雨水管道、現(xiàn)狀地形圖構(gòu)建小區(qū)排水系統(tǒng)模型如圖5至圖7所示。

圖5 海上華庭管網(wǎng)及匯水分區(qū)及下墊面

圖6 恒力錦滄花園管網(wǎng)及匯水分區(qū)及下墊面

圖7 森隴家園管網(wǎng)及匯水分區(qū)及下墊面

3.2 年降雨量模擬

選取2020年1月1日至2020年12月31日近一年降雨資料進(jìn)行模擬分析，降雨模型如圖8所示。

根據(jù)2020年1月1日至2020年12月31日近一年降雨資料進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在6 月至9 月降雨強(qiáng)度明顯增大，進(jìn)入小區(qū)污水系統(tǒng)的雨水量大幅增加，對小區(qū)排水系統(tǒng)造成一定的沖擊影響。

3.3 污水入流事件設(shè)置

典型污水入流量見表3。

表3 典型小區(qū)污水入流量

3.4 截流設(shè)施模擬

海上華庭截流閥實(shí)時(shí)控制參數(shù)如圖9 所示。井內(nèi)設(shè)置浮筒截流閥，旱天及小雨時(shí)，井內(nèi)水位較低，浮筒截流閥打開，混接污水通過截流管進(jìn)入下游污水管道；當(dāng)井內(nèi)水位上升時(shí)，截流閥慢慢關(guān)閉，當(dāng)水位達(dá)到截污管管頂（堰高）時(shí)，截流閥完全關(guān)閉，雨水及混接污水越過溢流堰排入下游雨水管道。由于模型中沒有設(shè)置截流閥的構(gòu)筑物，采用閘閥模擬截流閥，通過調(diào)整閘閥排水能力實(shí)現(xiàn)閘閥啟閉。當(dāng)水量小于7.12 L/s 時(shí)，閘閥開啟，當(dāng)水量大于7.12 L/s 時(shí)，閘閥關(guān)閉。

圖9 海上華庭截流閥實(shí)時(shí)控制參數(shù)

恒力錦滄花園截流閥實(shí)時(shí)控制參數(shù)如圖10 所示。井內(nèi)設(shè)置浮筒限流閥，旱天及小雨時(shí)，井內(nèi)水位較低，浮筒截流閥打開，混接污水通過截流管進(jìn)入下游污水管道；雨天當(dāng)井內(nèi)水位上升時(shí)，截流閥慢慢關(guān)閉，當(dāng)水位達(dá)到截污管管頂時(shí)，限流閥最大程度關(guān)閉，但仍有個(gè)月牙形的開孔，部分雨水及混接污水通過月牙形孔洞進(jìn)入截流管從而進(jìn)入污水系統(tǒng)，水位到達(dá)堰高時(shí)，進(jìn)入雨水管道。模型中沒有采用限流閥的構(gòu)筑物，采用閘閥模擬限流閥，通過調(diào)整閘閥排水能力實(shí)現(xiàn)閘閥啟閉。當(dāng)水量小于17.48 L/s 時(shí)，閘閥開啟，當(dāng)水量大于17.48 L/s 時(shí)，閘閥僅能通過17.48 L/s 的水流量。

圖10 恒力錦滄花園截流閥實(shí)時(shí)控制參數(shù)

森隴家園截流閥及提升泵實(shí)時(shí)控制參數(shù)如圖11所示。截流井內(nèi)安裝DN200 截流閥，當(dāng)井內(nèi)液位低于1.54 m時(shí)，提升泵將旱季污水提升至污水管網(wǎng)；當(dāng)井內(nèi)液位高于1.54 m時(shí)，截流閥完全關(guān)閉。模型采用閘閥模擬截流閥，通過截流井內(nèi)水位對閘閥進(jìn)行控制。當(dāng)截流井內(nèi)水位高于1.54 m 時(shí)，閘閥全關(guān)；當(dāng)截流井內(nèi)水位低于1.54 m時(shí)，閘閥全開，水泵啟動(dòng)。

圖11 森隴家園截流閥及提升泵實(shí)時(shí)控制參數(shù)

3.5 截流污水量分析

根據(jù)以上模型設(shè)置，分別對僅有降雨、僅有污水入流及降雨和污水入流同時(shí)發(fā)生3 種工況進(jìn)行模擬，分析全年降雨過程中進(jìn)入截流管道的雨水量等數(shù)據(jù)。典型小區(qū)模型模擬水量見表4。

表4 典型小區(qū)模型模擬水量

不考慮雨天污水溢流入雨水系統(tǒng)，即雨天進(jìn)入污水的雨水量為進(jìn)入污水系統(tǒng)水量-旱季污水量，可以求得雨天進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量。將模型計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比見表5。

表5 典型小區(qū)模型與理論計(jì)算對比

由表5 可知，由于污水入流事件是根據(jù)實(shí)測值及理論值模擬的，因此截污量誤差較小。關(guān)于雨水，模型模擬的總雨水量比理論計(jì)算值偏小，這是因?yàn)槟Ｐ涂梢阅M降雨的產(chǎn)流、匯流及管道傳輸過程，因此比理論計(jì)算更為準(zhǔn)確［6］，雨水總量的誤差為7%~13%，進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量的誤差在10%~23%之間。進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量與雨水總量的占比基本一致，這說明理論計(jì)算的可靠性。

4 結(jié)論

①不考慮外圍市政工況的情況，外部截污設(shè)施均具備良好的截污性能，但也造成了雨天雨水通過外部截污設(shè)施進(jìn)入污水系統(tǒng)的現(xiàn)象。

②不同形式的截流井導(dǎo)致雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)的水量不同［7］，對于重力截流井，有以下結(jié)論：一是截流閥優(yōu)于限流閥；二是采用限流閥的截流井，可將較少量的污水截流，但同時(shí)卻造成了小區(qū)內(nèi)全年大部分的雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)。對于泵截式截流井，有以下結(jié)論：一是泵截式外部截污設(shè)施雨天對污水系統(tǒng)的影響，設(shè)置停泵高液位優(yōu)于不設(shè)置停泵高液位；二是泵的流量選用應(yīng)與截污量相匹配，才會(huì)使進(jìn)入污水系統(tǒng)的雨水量最大限度地減少。

③影響住宅小區(qū)外部截流設(shè)施效能（旱天截污量、雨天進(jìn)入污水系統(tǒng)增量）的因素有：截流井種類、堰高與截流管的高差（液位差）、小區(qū)面積、小區(qū)人口、小區(qū)雨水管道長度、小區(qū)占地面積、徑流系數(shù)，對旱天截污量影響最大的影響因素是小區(qū)人口，對雨天進(jìn)入污水系統(tǒng)增量影響最大的影響因素是截流井種類、液位差、小區(qū)面積。

④小區(qū)外部截污設(shè)施作為一種雨污分流改造的臨時(shí)過渡措施，大部分具備良好的截污性能，設(shè)置外部截流設(shè)施有效避免了旱天污水直接進(jìn)入雨水管，對周邊旱天水環(huán)境的改善有一定幫助。但同時(shí)造成了部分外部截污設(shè)施中大量雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)，存在一定的負(fù)面作用。因此在進(jìn)行雨污分流改造時(shí)，建議最好能進(jìn)行小區(qū)內(nèi)部的雨污分流改造，外部截污設(shè)施不能作為永久設(shè)施，只能作為臨時(shí)過渡措施。在進(jìn)行外部截污設(shè)施的設(shè)置時(shí)，需調(diào)研下游市政雨污水管網(wǎng)的水位情況，混接水量等基礎(chǔ)資料，選擇合適的外部截流井，以減輕外部截污設(shè)施的負(fù)面作用。